Selezione della temperatura nominale per i dischi dell'encoder magnetico in condizioni di alta/bassa temperatura: ferrite stampata a iniezione vs. Magnete in gomma: non limitarti a guardare la parola 'Ferrite'

Dopo che un robot collaborativo funziona ininterrottamente per diverse ore, il feedback della sua posizione inizia a spostarsi lentamente. Quando il giunto è smontato, il il disco dell'encoder magnetico sembra intatto e la sua magnetizzazione non mostra anomalie evidenti, ma quando viene testato nuovamente a temperatura ambiente, l'errore angolare non ritorna al valore iniziale. Spesso il problema non risiede nel chip dell'encoder, ma nel fatto che il comportamento del materiale del disco alle alte temperature è stato sottovalutato.

Nella scelta dei materiali per i dischi dell'encoder magnetico, la ferrite stampata a iniezione e il magnete in gomma sono le due opzioni più comunemente confrontate. Un errore di valutazione comune è: entrambi sono chiamati 'magneti in ferrite', quindi la loro resistenza alla temperatura dovrebbe essere simile. La realtà è esattamente l'opposto: ciò che determina la loro temperatura nominale non è principalmente la polvere magnetica di ferrite, ma il 'legante' che tiene insieme la polvere magnetica . La temperatura Curie della polvere magnetica di ferrite stessa può raggiungere i 450-470°C, ma la temperatura massima alla quale un disco codificatore può funzionare a lungo termine dipende quasi interamente dall'altezza a cui possono resistere i materiali della matrice: nylon, PPS, gomma nitrilica o gomma nitrilica idrogenata.

1. La 'verità sulla temperatura' dei due materiali: la polvere magnetica fissa il pavimento, il legante fissa il soffitto

La ferrite stampata ad iniezione viene prodotta mescolando la polvere magnetica di ferrite con resina termoplastica (nylon, PPS, ecc.) e stampandola ad iniezione. Il suo limite massimo di temperatura è determinato dalla resina, non dalla ferrite:

• Matrice in Nylon 12 (PA12): temperatura massima di esercizio circa  120°C;

• Matrice in nylon 6 (PA6): circa  150°C;

• Matrice di polifenilene solfuro (PPS): può raggiungere circa  180°C.

Il magnete in gomma è un magnete flessibile realizzato riempiendo gomma nitrilica (NBR), gomma nitrilica idrogenata (HNBR) o altri elastomeri con polvere magnetica di ferrite. Anche la sua resistenza alla temperatura è dominata dalla formulazione della gomma e la diffusione è maggiore di quanto molti immaginino:

• Le formulazioni convenzionali di NBR sui dischi degli encoder sono generalmente tarate per un limite superiore della temperatura di esercizio a lungo termine di circa  80°C . L'esposizione a breve termine a 80°C può mantenere il decadimento magnetico a un livello relativamente basso, ma un ulteriore riscaldamento aumenta significativamente il rischio di smagnetizzazione irreversibile;

• Le formulazioni NBR per encoder industriali possono raggiungere  140–150°C e le formulazioni HNBR possono raggiungere ulteriormente  160–180°C;

• Attraverso matrici ad alta temperatura come gomma siliconica o speciale modifica della polvere magnetica, il limite massimo di tolleranza a breve termine dei magneti in gomma può essere ancora più elevato, ma tali formulazioni pagano un prezzo in termini di stabilità dimensionale, modulo e costo.

• In altre parole, entrambe le affermazioni: 'i magneti di gomma possono raggiungere solo gli 80°C' e 'i magneti di gomma possono raggiungere anche oltre i 150°C' possono essere vere. La differenza sta nella formulazione, non nel nome ampio della categoria 'magnete di gomma'. Se la selezione dice solo 'magnete di gomma' senza definire il tipo di gomma e l'effettiva curva della temperatura a lungo termine del fornitore, i rischi in condizioni di alta temperatura non possono essere evitati dall'ispezione in entrata.

2. La linea di demarcazione centrale nella selezione di alta/bassa temperatura: non 'se può essere utilizzata', ma 'se la smagnetizzazione è reversibile'

Gli effetti della temperatura sui dischi dell'encoder magnetico rientrano in due categorie. La loro combinazione è la fonte più comune di errori di valutazione nella convalida ad alta temperatura.

La smagnetizzazione reversibile  significa che all'aumentare della temperatura, la rimanenza e la coercività diminuiscono temporaneamente in base al coefficiente di temperatura e, quando la temperatura si ripristina, sostanzialmente anche le prestazioni magnetiche si ripristinano. Il coefficiente di temperatura rimanente della ferrite stampata a iniezione è dell'ordine da  −0,18%/°C a −0,20%/°C . Ciò significa che da 25°C a 100°C la diminuzione della rimanenza causata esclusivamente dal coefficiente di temperatura è superiore a dieci punti percentuali. Questo calo in sé non significa necessariamente che il disco sia 'cattivo', ma ad alta temperatura l'ampiezza effettiva del segnale vista dal sensore diventa più piccola e lo stesso rumore, eccentricità e interferenza magnetica esterna vengono amplificati maggiormente nel calcolo dell'angolo, manifestandosi come jitter dell'angolo, deriva della posizione zero o problemi di velocità in condizioni di alta temperatura.

Smagnetizzazione irreversibile  significa che dopo che la temperatura supera una certa soglia, la struttura del dominio magnetico subisce un cambiamento permanente e le prestazioni magnetiche non vengono ancora ripristinate dopo il ritorno alla temperatura ambiente. Per la ferrite stampata ad iniezione, la coercività è relativamente bassa e il rischio di attraversare il ginocchio del punto operativo ad alta temperatura è maggiore; per i magneti in gomma, l'ammorbidimento o l'invecchiamento del legante ad alta temperatura modifica lo stato di dispersione delle particelle di polvere magnetica, che possono allo stesso modo solidificare un declino temporaneo in una perdita permanente.

Pertanto,  il vero criterio per la selezione di alta/bassa temperatura non è 'la temperatura nominale del materiale', ma 'se, alla massima temperatura di esercizio, l'errore angolare e il campo magnetico residuo dopo il ritorno alla temperatura ambiente rimangono entro l'intervallo consentito.'  Giudicare la 'smagnetizzazione' esclusivamente in base a quanto diminuisce l'ampiezza del campo magnetico in una camera ad alta temperatura, o selezionare un materiale esclusivamente in base a un numero di temperatura massima sul TDS del fornitore, non è sufficiente per coprire l'effettiva rischi del sistema encoder.

3. Selezione per fascia di temperatura operativa: un quadro decisionale attuabile

Piuttosto che chiedere 'quale ha una migliore resistenza alla temperatura, ferrite stampata a iniezione o magnete in gomma', è meglio utilizzare la temperatura operativa massima come primo taglio e la capacità di convalida come secondo taglio.

Intervallo di temperatura ambiente/bassa ≤ 80°C : entrambi sono utilizzabili. La ferrite stampata ad iniezione presenta vantaggi in termini di prestazioni magnetiche, precisione dimensionale e consistenza della magnetizzazione multipolare; la flessibilità dei magneti in gomma aiuta con la resistenza agli urti e l'adattamento al montaggio irregolare, e il costo è relativamente conveniente. A questo punto, la selezione dovrebbe concentrarsi maggiormente sulla risoluzione, sull’inclinazione dei poli e sui requisiti di integrazione strutturale, piuttosto che sulla resistenza alla temperatura. Va notato che i magneti in gomma possono indurirsi a temperature molto basse (ad esempio, −40°C). Se l'applicazione prevede un avvio a bassa temperatura o uno shock termico, è necessario confermare il mantenimento della flessibilità della formulazione a bassa temperatura, non solo l'etichetta 'resistente alle basse temperature'.

80–120°C intervallo di temperature medio-alte : questo è l'intervallo in cui i due divergono materialmente. Le formulazioni convenzionali dei magneti in gomma sono già entrate in una zona che richiede un'attenta valutazione in questo intervallo; la matrice PA12 di ferrite stampata a iniezione ha un limite superiore nominale di circa 120°C, ma quando utilizzata come disco codificatore, è consigliabile non trattare il 'limite superiore del materiale' direttamente come il 'punto operativo di progetto.' Se il picco operativo è vicino a 120°C, la ferrite stampata a iniezione a base di PA6 (circa 150°C) fornirà un margine più ampio e la perdita irreversibile dovrebbe essere confermata attraverso il residuo post ciclo termico dopo il ritorno a temperatura ambiente.

120–150°C : la ferrite stampata a iniezione a base PA6 è il candidato naturale per questa fascia di temperatura, mentre i magneti in gomma richiedono la selezione esplicita di una formulazione NBR o HNBR per alte temperature e la richiesta dei dati di invecchiamento a lungo termine del fornitore alla temperatura target, anziché fare affidamento solo su valori di tolleranza istantanei a breve termine. Questa fascia è anche il luogo in cui la 'formulazione fa la differenza' è più evidente: per lo stesso 'magnete di gomma', le formulazioni NBR convenzionali e le formulazioni NBR/HNBR ad alta temperatura per gli encoder possono comportarsi in modo completamente diverso nel comportamento a lungo termine vicino a 150°C.

> 150°C : la ferrite stampata ad iniezione a base di PPS (circa 180°C) è l'opzione più realistica tra i due tipi di materiali. I magneti in gomma non sono assolutamente inutilizzabili, ma richiedono una matrice in gomma ad alta temperatura o una formulazione appositamente modificata e i compromessi tra flessibilità, stabilità dimensionale e costo diventano più importanti. Se le condizioni operative superano i 180°C a lungo termine, entrambi i tipi di magneti a legante organico iniziano ad avvicinarsi ai confini del sistema materiale e la discussione sulla selezione dovrebbe spostarsi su altri sistemi magnetici o sulla gestione termica a livello di sistema, piuttosto che continuare a mettere a punto tra 'ferrite stampata a iniezione o magnete in gomma'.

Allo stesso modo, il limite di bassa temperatura non può essere giudicato solo dalla 'temperatura minima'. Il coefficiente di temperatura di coercività della ferrite differisce nella direzione dal coefficiente di temperatura di permanenza, e alcuni gradi di ferrite hanno un meccanismo di smagnetizzazione irreversibile a bassa temperatura a basse temperature; il rischio a bassa temperatura dei magneti in gomma è più concentrato nell'indurimento e nell'infragilimento della matrice in gomma. In condizioni alternate di alta/bassa temperatura,  la stabilità angolare della posizione zero dopo i cicli di temperatura  riflette l'utilizzabilità del disco nelle condizioni operative effettive meglio delle prestazioni magnetiche a un singolo punto di temperatura.

4. Il passaggio più facilmente trascurabile nella convalida

La validazione ad alta temperatura degli encoder magnetici presenta una trappola 'apparentemente corretta': l'ampiezza del campo magnetico diminuisce dopo il riscaldamento, non si ripristina completamente dopo il raffreddamento e viene quindi giudicata come smagnetizzazione irreversibile. Ma l'ampiezza residua può provenire dal magnete o dal rilascio dello stress dell'assieme, dai cambiamenti del traferro causati dall'espansione termica strutturale o dalla deriva del front-end del sensore. Al contrario, un calo temporaneo di ampiezza ad alta temperatura che si ripristina dopo il raffreddamento non significa che il sistema sia necessariamente sicuro durante il periodo di alta temperatura: dopo che il segnale effettivo si è ridotto, l'errore angolare potrebbe aver già superato il limite durante il processo ad alta temperatura e semplicemente 'ha un bell'aspetto' dopo il raffreddamento.

Un approccio più robusto è:  prima e dopo i cicli di temperatura, utilizzare l’errore angolare e la deriva della posizione zero come criteri primari e l’ampiezza del campo magnetico come quantità diagnostica ausiliaria . Se l'errore angolare e la posizione zero dopo il ritorno alla temperatura ambiente non ritornano alla linea di base, analizzare se si tratta di perdita irreversibile del magnete, invecchiamento del legante o cambiamento nello stato dell'assemblaggio. Per i magneti incollati come la ferrite stampata a iniezione e il magnete in gomma, i cambiamenti dello stato del legante dopo l'esposizione alle alte temperature spesso non si manifestano come 'il magnete scompare improvvisamente', ma come una lenta degradazione del segnale angolare, che viene facilmente trascurata dai controlli di routine 'magnetizzazione OK, aspetto OK'.

Conclusione

In condizioni di alta/bassa temperatura, la selezione dei dischi dell'encoder magnetico non è essenzialmente una scelta binaria tra 'ferrite stampata a iniezione e magnete in gomma', ma due domande sequenziali:  la temperatura operativa massima e la modalità di ciclo determinano il sistema legante dei materiali candidati; i dati di validazione, in particolare il residuo angolare dopo il ritorno alla temperatura ambiente, determinano se il materiale candidato può veramente entrare nel progetto . Il limite massimo di temperatura della ferrite stampata a iniezione è scritto nel grado della resina, il limite massimo di temperatura del magnete in gomma è scritto nella formulazione della gomma e l'affidabilità dell'encoder è scritta nell'errore angolare dopo il ciclo di temperatura. Solo mantenendo separati questi tre strati la selezione non si fermerà all'impressione eccessivamente approssimativa che 'la ferrite sia resistente alle alte temperature'.

Elenco di controllo per la selezione rapida

• Innanzitutto bloccare la  temperatura operativa massima  e  il numero di cicli ; non utilizzare la temperatura media al posto della temperatura di picco.

• Per la ferrite stampata ad iniezione, chiedere chiaramente la  matrice della resina : PA12 ≈ 120°C, PA6 ≈ 150°C, PPS ≈ 180°C; utilizzare come autorità la curva della temperatura misurata a lungo termine del fornitore.

• Per i magneti in gomma, chiedere chiaramente il  tipo di gomma : i limiti superiori a lungo termine delle formulazioni NBR convenzionali e delle formulazioni NBR/HNBR per alte temperature possono differire di decine di gradi Celsius; non scrivere semplicemente 'magnete di gomma'.

• Richiedere al fornitore di fornire  l'errore angolare/campo magnetico residuo post-invecchiamento dopo il ritorno alla temperatura ambiente alla temperatura target , non solo il flusso magnetico istantaneo ad alta temperatura.

• Per condizioni di bassa temperatura, confermare anche il  rischio di infragilimento a bassa temperatura della matrice di gomma  e la  tendenza alla smagnetizzazione irreversibile a bassa temperatura della ferrite.